国外的生物能源利用

　　发达的畜牧业是现代农业的标志，而衡量畜牧业是否发达，其规模化饲养程度又是一个重要标志。动物的粪便通常是一种不错的有机肥料，但其含有大量甲烷气体(而甲烷会导致温室效应)；牛羊等反刍动物释放的甲烷气体含量占全世界甲烷排放量的五分之一。规模化养殖业会产生大量污染物(畜禽粪污和冲洗水等)，而且集中排放，会对环境造成严重污染。如何对牲畜养殖场的粪污进行综合治理，已经引起世界上许多国家的高度重视。一些国家采用科技措施，取得了较好的成效。沼气技术(厌氧消化)的运用便是其中的一个成功事例。
　　沼气技术在实现牲畜粪污资源循环利用，改善农村能源、环境、卫生条件等方面具有独特作用，并且有利于温室气体减排，还可用以发电。据Helmut Kaiser咨询公司分析，2010年建设总计8900套的生物气体装置，用于发电将达2700MW。亚洲在能力上领先，占34％；欧洲将占26％；其次是北美和其他地区。沼气技术正日益受到世界各国政府的重视，有着十分美好的发展空间。
　　
　　一、垃圾增多沼气技术应运而生
　　
　　沼气并不神秘，它是由生物质发酵生成的甲烷和二氧化碳的混合物，有机肥如动物粪便、家庭垃圾和城市固体垃圾是沼气的常用原料。沼气能生产出农村十分紧缺的清洁燃料，又可以得到优质有机肥料，可广泛应用于畜禽粪便、农作物秸秆、食品加工废弃物、发酵工业加工废弃物和生活垃圾等农业固体废弃物的处理。
　　在欧洲、美国等养殖业发达国家，牲畜粪污最常规的处理方法是囤集较长时间(半年以上)后还田，称作自然处理。但是后来调查发现，污染问题并没有很好解决。资料显示，在养殖业集中的区域，附近农田的氮、磷和重金属元素普遍超标。在一些欧洲国家，如德国、荷兰、比利时，25％以上的地下水硝酸盐超过50mg／L。在美国虽然有较多的农田供粪污消纳，但是50％以上的湖泊和27％以上的河水养分超标。一到雨季，地表水被畜禽养殖粪污污染，导致BOD超标的现象比比皆是。近年来，由于人畜共传病(如疯牛病、禽流感、血吸虫病)的猖獗传播，促使发达国家加强对畜禽养殖污染的治理力度，而沼气技术被认为是一种符合循环经济发展的有效模式。
　　欧洲处理农村废物的沼气装置分为两类。一类称为农场沼气池(on?farm AD plants)’另一类称为集中厌氧消化系统(Centralized AnaerobicDigestion，简称CAD)，后一类近年来发展很快。所谓集中厌氧消化系统，即是将一定区域内相临的农场畜禽粪便和其他有机废物收集、运输到一处沼气站集中处理。集中厌氧消化装置的优点，一是具有规模经济效益，二是可采用较先进的厌氧消化处理工艺和装置设备，从而使处理效率更高。集中厌氧消化系统代表了目前欧洲沼气工程的发展趋势。
　　
　　二、欧洲捷足先登
　　
　　欧洲是目前农场沼气工程技术最发达、推广数量最多、技术最成熟的地区。欧洲沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。
IJgsQzYIT6qju2jKEXvsz6ZLDQzQ13oxuYZoHWmDWf8=　　集中厌氧消化系统最早于在上世纪80年代末从丹麦开始运作。丹麦具有沼气生产方面最完善的法律制度以及最先进的科学技术。丹麦的家畜业十分发达，沼气生产的主要原料就是家畜的排泄物。丹麦的沼气厂是从20世纪80年代开始发展起来的，目前已经建成20座大型的CAD沼气装置，运行良好。每座装置规模在2000～4000m³，中温或者高温，厌氧消化工艺主要是全混合沼气发酵(CSTR)和推流式发酵工艺(Plug flow)，停留时间在12-20天。在对发酵原料预处理或后处理中，还包括一个巴氏灭菌高温消毒过程，以防止处理过程中病菌传播。沼气一般用于当地社区集中供热，或热电联用(CHP)。丹麦规模最大的沼气厂是海宁市的“Studsgard沼气厂”，建于1996年。该厂的生产原料是有机废物，全部来源于乳品业加工厂、食品厂以及家庭，每年生产700万立方米沼气，能满足约4700户居民的用电，满足1200户居民的热力供应。丹麦不允许食品加工业将有机废物倒在填海土地上，因此把这种废物交给沼气厂处理是一种比较廉价的处理方法。
　　世界最大生物气体装置在德国东部，于2009年初投用，生物气体直接进入天然气管网。位于德国东部Konnern的生物气体装置能使1500万立方米生物甲烷进入天然气管网供德国用户使用。在Konnern四周的30个生物气体发生场每年要接受12万吨原材料，主要是谷物作物。8个发酵罐预计每年产生3000万立方米生物气体，被加工成1500万立方米生物甲烷。德国小规模生物气体设施采用液态粪便为原料。使用液态粪便为原料的150KW生物气体设施成本为0.04欧元／KWh，对用户有很好的吸引力，从而减少对俄罗斯天然气进口的依赖。2007年，投资为1000万欧元的生物气体装置已将600万立方米生物甲烷送入天然气管网。生物气体发展升温缘于2007年使关键技术取得突破，从而可使生物气体注入天然气管网中。德国设置生物气体能力为1280MW，拥有约3750套生物气体设施。据德国生物气体协会的预测，到2020年，德国将有高达20％的天然气需求将来自生物气体供应。
　　英国于2008年10月在伦敦投用第一座压缩生物甲烷(CBS)加注站，以用于支持以煤层甲烷气(CBM)为动力的街区清洁汽车运营。Gasrec公司是英国第一家液体生物甲烷燃料生产商，得到后勤合作伙伴Hardstaff集团的支持，该设施应用于由英国最大的废弃物管理集团Veolia环境服务公司拥有的汽车加注CBS。该CBS从填埋地产生的沼气生产，在所有的商业化适用的生物燃料中具有最低的碳密度，排放比化石燃料低70％。
　　
　　三、美国后来居上
　　
　　美国发展沼气工程起步较晚，但发展很快，目前约有40个农场沼气工程投入运行(主要是处理奶牛场粪污)。
　　美国农场沼气工程多数采用推流式发酵工艺。这类沼气装置采用半地埋式、上部用复合橡胶袋覆盖，主要用于处理干清粪式的奶牛粪污。沼气发酵后的沼液经过固液分离后，固体部分用于堆肥，液体部分经过氧化塘处理后排放或用于农业灌溉。目前在美国北方寒冷地区(纽约州、明尼苏达州，这里冬季平均气温低于摄氏零度)运行良好的6座奶牛场沼气工程中，有5座采用的是推流式发酵工艺，处理规模分别是1000-2400头牛，多数是2001年后建成的。全部采用了热电联用技术，发电机的规模在130-200kW，发电余热用于发酵装置增温。
　　随着油价的不断攀升，寻找更环保又实惠的替代能源成为一些国家的主攻课题。美国得克萨斯州的一家新型能源厂就以牛粪为原材料，经过处理转变成可用的天然气，输送到千家万户。得克萨斯州的这家能源厂通过新技术，巧妙地将牛粪变废为宝。从当地奶牛场收集的牛粪经过搅拌、过滤等程序后，再和用过的食用油和其它食物残渣等混合，装入高温箱积聚和释放沼气，然后经过净化就变成了可燃烧的天然气，通过管道输送到当地居民家中。这一系列过程大约需要20天左右，这家能源厂正努力实现年生产能力满足11000户居民的天然气用量，这等同于每年减少消耗原油1700多万升。
　　美国旧金山废物管理公司与林德北美公司于2008年4月底组建合资企业，在加州Livermore附近Altamont填埋地将埋地沼气用作汽车燃料。两家公司合资建设液化天然气(LNG)设施系统，使埋地沼气液化。废物管理公司收集填埋地有机废物自然分解产生的沼气。该设施于2009年投用，生产高达1.3万加仑／天液化天然气(LNG)。项目投资为1500万美元，得到加州一体化废物管理局、加州空气资源局和南部海岸空气质量管理区的大力资助。这一埋地沼气用于汽车燃料项目将减少温室气体排放超过3万吨／年。
　　Ridgewood可再生电力公司于2008年12月8日宣布在美国罗德岛开发41MW埋地气体发电项目，该设施将是美国第二大埋地气体发电厂。该项目到2010年底分三个阶段完成，投资约为8000万美元。
　　
　　四、发展中国家不甘落后
　　
　　印度是继中国之后最大的发展中国家，也是继中国之后户用沼气数量最多的国家，已经建成约300万口户用沼气装置。此外还实施了近2000个大中型沼气工程。印度的户用沼气装置主要用作生产农村能源，以牛粪为主要原料，沼渣沼液用作有机农肥。
　　地处加勒比海的古巴虽然是个小岛国，但它却于2009年在中部Cienfuegos省设置现代化生物气体发电装置。该装置采用Palmira城镇养猪场猪排泄物产生生物气体。据称，小小的古巴拥有700多套生物气体装置，最大装置在哈瓦那，与联合国工业发展组织共同开发。
　　地处喜马拉雅山麓的山国尼泊尔，其农村也在大规模使用沼气。尼泊尔将近85％的人口生活在农村地区，农村人口大约为2千7百万。其中95％的农村人口使用诸如木材和农业废料等传统燃料。这些燃料不仅能源利用率极低(真正利用的能量仅占燃料含有能量的5％到10％)，而且造成严重的室内烟尘污染，被称为“厨房中的杀手”。20世纪50年代末，尼泊尔开始引入沼气，如今成千上万的家庭都在使用沼气。尼泊尔使用的沼气设备是低科技的简单设备，即存储牛粪的圆槽。该设备多建于房屋附近，以便产生的气体通过管道输送到厨房。沼气设备不仅更加清洁，而且效率更高。这种低科技生物燃料使得尼泊尔这样的贫困发展中小国，照样能为保护生态、减少污染和减缓全球变暖出一分力。
　　
　　[作者简介]
　　程宇航，江西省社会科学院经济研究所研究员。
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